Разрушающие методы формообразования пластичных и малопластичных материалов

Характерным признаком разрушающих методов формообразования является наличие деформации сдвига и развитие этих деформаций до значений превышающих предел прочности материала. Такие методы называют еще методами резания и разделяют на резание без стружкообразования и со стружкообразованием.

39. Неразрушающие методы формообразования пластичных материалов.

Большенсво материалов, применяемых при изготовлении электронных приборов, и в первую очередь металлы и их сплавы, являются пластичными. По виду возникающих в материале деформаций методы обработки относят к методам формообразования путем простых или комбинированных объемных деформаций сжатия и растяжения.

38. Неразрушающие методы формообразования вязкотекучих материалов

В качестве элементов электронных приборов материалы, обладающие вязкотекучими свойствами при комнатных температурах, не используют.

Эти свойства у материалов проявляются при повышении температуры. Т.е. формообразование производится при высоких температурах. Условием проведения процессов таких материалов является неравенство

t_рел<<t_пр

где t_рел - время релаксации материала;

t_пр - время проведения процесса.

Классификация механических методов формообразования элементов элек-тронной техники

Известно, что более 90% элементов таблицы Менделеева и их соединений используется в электронной промышленности. Среди них могут быть материалы с различными деформационными свойствами ( хрупкие, упругие, пластичные, вязкие и т.д.) поэтому и методы их обработки должны быть различны.

Контроль покрытий

Контроль покрытий.
Контролируются следующие параметры:
- вес покрытий
- толщина покрытий

Типы покрытий

В производстве ЭВП и полупроводниковом используются следующие виды покрытий:
- металлические и прозрачно-проводящие покрытия
- теплоизлучающие
- эмиссионные
- колоидографитовые
- антиэмиссионные (металлы Au, Ag)
- изолирующие (электрофорез или протяжка через расплавы солей)

Типы покрытий.

Метод катодного распыления

Метод катодного распыления - подразделяется на два:

33. Методы получения покрытий: гальванический и протяжки

Гальванический метод - основан на процессе кристаллизации металлов из растворов солей в присутствии электрического тока. При этом положительные ионы металла нейтрализуются на поверхности покрываемого изделия. Структура покрытия зависит от двух факторов:

Вакуумное термическое напыление.

ЛУЧШЕ ОТКРЫТЬ PDF


Рассмотрим методику инженерного расчета режима напыления и основных соотношений установки напыления. Из теории газов известно, что скорость испарения вещества определяется следующими факторами:


Оценочный расчета, который обеспечит расчет технического режима ( h - толщина пленки, t - время напыления,  T - температура ) и основные соотношения в размерах напылительных систем a,
R0=f( %) - в зависимости от относительной погрешности.
Из кинетической теории газов известно:
 , г/см2с (1)
где p=f(T) давление насыщенных паров определяется как   здесь к1 и к2 - коэффициенты зависящие от свойств испаряемого материала.
В общем случае скорость испарения материала определяется выражением:
  (2)
где NS - поверхностная концентрация атомов; М - молекулярная масса вещества; 0- частота колебаний атомов; i- коэффициент испарения атомов с учетом обратного возврата атомов; EA - работа выхода атома.
Тогда количество испаренного вещества с поверхности материала можно определить из выражения:
  гр (3)
Так как испаряемый материал осаждается только в верхнюю полусферу, то количество вещества, напыляемого на подложку оценивается из соотношения:
 , гр (4)
Если известна удельная плотность  напыляемого вещества то:
 , гр (5)
Приравнивая выражения (4) и (5), можно определить толщину пленки, которая равна   (6)
С учетом выражения (3) и (1) можем получить окончательное выражение для толщины напыляемой пленки:
  (7)
где P - давление насыщенного пара испаряемого вещества при заданной температуре определяется из табличных данных или графиков.
M - атомная или молекулярная масса вещества
Sисп- площадь испарения
- удельная плотность материала пленки
t - время напыления
Из полученных выражений можно оценить конструктивно–технологические особенности устройства, т.е. из выражения (7) видно, что при прочих равных условиях толщина пленки зависит от расстояния
  ,
где А - это общая постоянная величина в выражении (7)
Тогда относительная погрешность  
Из рисунка видно, что
Теперь можем оценить размеры системы напыления в зависимости от изменения толщины от центра к периферии, будем задавать значение погрешности % и определять расстояние от испарителя к подложке R0
% 0,01 0,1 1 10
R0 100а 10 а
10а 3а
Из проведённой оценке можно предварительно изготовить технологическую оснастку системы напыления, произвести контрольные напыления и по контрольным значениям пленки провести коррективу системы напыления.
Вакуумное термическое напыление широко применяется в производстве полупроводниковых интегральных схем. Процесс проводят в вакууме, при условии, что давление насыщенного пара испаряемого материала на несколько порядков выше давления в вакуумной камере и насыщенного пара материала из которого изготовлен тигель. Вакуумное термическое напыление имеет существенный недостаток, трудно получать пленки многокомпонентных материалов с требуемым стехиометрическим составом.

31. Методы получения покрытий: механический, пульверизация и электро-форез.

ЛУЧШЕ ОТКРЫТЬ PDF

1) Механический метод

30. Основные методы нанесения покрытий и их параметры.

Основными параметрами покрытий являются :
1) плотность
2) шероховатость, существует семь классов шероховатости:
А - очень гладкая поверхность
Б - гладкая поверхность
В - средняя гладкость, высота микронеровностей до 7,5 мкм
Г - слегка шероховатая, до 15,5 мкм
Д - средне шероховатая, до 21,5 мкм
Е - шероховатая до 25 мкм
Ж - грубо шероховатая, более 25 мкм
Наиболее часто используются классы Г, Д, Е.

Организация технологического процесса очистки деталей.

После механической обработки детали, вначале, очищаются в помещении второй категории, в них обычно осуществляется полный цикл химической обработки, а затем в специальной таре детали поступают в помещение первой категории, где заканчивается цикл химико-термической очистки отжигом деталей. После этого детали идут на финишную очистку в помещение первой категории окончательной сборки.

Финишная очистка

Финишная очистка - это завершающий этап процессов очистки, который по своим характеристикам должен удалить остатки загрязнения деталей, неизбежно внесенных на предыдущих операциях.

Термические методы очистки

Под термическими методами очистки понимают различные виды отжига, предназначенные:
1. Для удаления остаточных загрязнений на поверхности, например, следов углерода.
2. Для восстановления окислов на поверхности металлов.
3. Для обезгаживания, т.е. удаления растворенных в металле газов.
Для достижения перечисленных целей используются следующие виды отжига.
1) Отжиг в водороде, влажном иди сухом.
2) Окислительно-восстановительный отжиг.
3) Отжиг в вакууме.
4) Комбинированные виды отжига.

Электрохимическое полирование

Электрохимическое полирование заключается в анодном растворении металла, при котором удаляются микроскопические выступы. Электролиты для этого способа должны удовлетворять следующим требованиям.

Химическое полирование

Полирование применяется с целью уменьшения тепловых потерь или для получения большой отражательной способности поверхности. Полирование может быть выполнено химическим и электрохимическим способом.

Химическое травление

Химическое травление предназначено для удаления загрязнений неорганического происхождения (окислов, солей, окалины), химически связанных с поверхностью. В качестве сред используются сильные кислоты (соляная, серная, азотная или плавиковая), а также расплавы и растворы щелочей.
Особенностью травления является то, что кроме удаления загрязнений удаляется и поверхностный слой материала. При травлении в сильных кислотах возможна коррозия. Работа с сильными кислотами требует строжайшего соблюдения техники безопасности. Менее безопасны в работе являются тройные смеси типа: (НСООН мурав. кисл., Н2О2 перекись водорода, H2O).

Электрохимическое обезжиривание

При электрохимическом обезжиривании процесс проводят как на аноде так и на катоде в щелочных электролитах.
При катодном обезжиривании на катоде происходит разряд ионов водорода, а на аноде - гидроксильных ионов раствора.. Околокатодный слой электролита обогащается отрицательными ионами ОН-, которые вступают во взаимодействие с жирами и переводят их в мылообразную массу, неомыляемые пленки масел отделяются от поверхности выделяющимися пузырьками водорода.
При анодном обезжиривании в щелочном электролите удаление загрязнений с поверхности металлов происходит за счет обильного выделения на аноде кислорода. В этом случае устраняется опасность наводораживания поверхностного слоя металла. Преимущество электрохимического обезжиривания заключается в полноте и скорости процесса. Недостатком этого способа является плохая рассеивающая способность электролита, т.е. большая неоднородность распределения электрического поля относительно поверхности на деталях сложной конфигурации. Поэтому для деталей сложной конфигурации рекомендуется вначале химическое, а затем электрохимическое обезжиривание.

22. Обезжиривание в щелочных и мыльных растворах

Способ очистки в горячих щелочных растворах заключается в разложении жиров животного и растительного происхождения с переводом их в мылообразную массу. Неомыляемая маслянная пленка при этом переходит в состояние эмульсии. При обезжиривании в щелочных и мыльных растворах широко используются поверхностно-активные вещества - эмульгаторы, которые облегчают разрыв масляной пленки и стабилизируют эмульсию.

21. Обезжиривание в органических растворителях.

Обезжиривание в органических растворителях
Обезжиривание - это процесс удаления с поверхности деталей жиров, минеральных масел, смазок и т.д. Жировые загрязнения разделяются на два типа:

1. Состоят из неполярных молекул, например минеральные масла.
2. Состоят из полярных молекул - жиры растительного и животного происхождения.

Как правило жировые загрязнения легче растворяются в растворах с подобным типом молекул. В качестве обезжиривающих средств используются следующие материалы.

Классификация методов очистки поверхности

Классификация методов очистки поверхности
В зависимости от вида загрязнения или их совокупности применяются в определенной последовательности различный способы очистки деталей. К таким способам относятся следующие.
1. Химические - обезжиривание в органических растворителях, и в щелочных растворах, травление в кислотах и щелочах, полирование.
2. Механические - галтовка, ультразвуковая обработка.
Следует отметить, что ультразвуковая обработка широко применяется с химическими методами.
3. Промывка в воде.
4. Термическая обработка последовательно в окислительной и восстановительной среде (или только в восстановительной), в вакууме.
Так, например, для удаления механических загрязнений применяют обдувку очищенным воздухом, окислительно-восстановительный отжиг, травление, галтовку. Неорганические соединения растворимые в воде, удаляют, путем промывки деталей в холодной или горячей воде. Жировые и масленые загрязнения удаляют растворением их в органических растворителях, жироэмульгирующих составах и др. Химические соединения основного металла снимаются травлением в соответствующих кислотах и щелочах или механически - путем. Газообразные элементы и соединения освобождаются из деталей путем термообработки в вакууме или водороде.
Обезжиривание, т.е. удаление с поверхности деталей жиров животного и растительного происхождения, а также минеральных масел (смазки, эмульсии), производится перед термообработкой, иначе на поверхности образуется углерод в следствие разложения жировых загрязнений.
В производстве очистку деталей производят в следующей последовательности:
1. Обезжиривание в органических растворителях.
2. Обезжиривание в щелочных растворах.
3. Галтовка.
4. Обработка ультразвуком.
5. Травление.
6. Полирование.
7. Промывка в воде.
8. Термическая обработка.
9. Финишная очистка.

Технологические середы и их очистка.

Под технологическими средами понимаются жидкости и газы. предназначенные для обработки поверхности материалов и изделий электронной техники. К ним относятся вода различные растворители, кислоты, щелочи, газы. Для их очистки широко применяются сорбционные процессы.
В настоящее время при производстве электронных приборов широко используется деионизованная вода. Принципиальная схема очистки имеет вид (рис.I).

Очистка диффузией и термодиффузией

Для разделения и очистки газообразных веществ может быть использовано различие в скоростях их диффузии через полупроницаемые перегородки, в результате по одну сторону перегородки концентрируются газы, обладающие большей скоростью диффузии, а по другую - меньшей. Многократное повторение этого процесса в камере, разделенных большим числом полупроницаемых перегородок, позволяет достигнуть высокой степени разделения газов.
Очистка смесей газов может быть реализована с помощью термической диффузии. Если вдоль сосуда с газовой смесью создать перепад температур, то это приведет к различию между составами смеси в горячей и холодной частях сосуда. В горячей части будет находиться компонент с меньшей молекулярной массой. Различие в составах смесей в горячей и холодной частях сосуда тем значительнее, чем больший перепад температур задан между ними.
Процессы диффузии и термодиффузии чрезвычайно чувствительны к различию между массами молекул в газовой смеси, что позволило их использовать для разделения изотопов.

17. Очистка в электрическом и магнитном полях.

Одним из методов очистки материалов является метод разделения материалов в скрещенных электрических и магнитных полях, реализуемый в масс-сепараторах. Метод основан на том, что заряженные частицы, движущиеся под действием электрического поля, попадая в магнитное поле изменяют свое направление движения. При этом чем меньше масс заряженной частицы, тем сильнее будет ее отклонение от первоначального направления движения при одинаковой величине электрического заряда. Современные промышленные масс-сепараторы обладают достаточно высокой разрешающей способностью, что позволяет успешно производить разделение даже изотопов. Следовательно, этот метод позволяет получить максимально очищенные материалы.

Очистка в центробежном поле.

Если расплав совершает движение по окружности (например, в центрифуге), то в нем происходит перераспределение примесей в результате действия на них центробежной силы. Более тяжелые атомы или молекулы основного вещества сосредотачиваются в перефериных частях расплава, а более легкие, атомы примеси, располагаются в расплаве ближе к центру вращения. Проводя кристаллизацию, например, расплава лития в центрифуге, вращающейся со скоростью 50 с-1, добиваются очистки основной части слитка от примесей примерно на два порядка. 

Электрические методы разделения и очистки

Из этих методов для очистки полупроводников наиболее широко применяются очистка электролизом, анодным растворением и электродиализмом.
Все эти методы осуществляются путем проведения окислительно-восстановительных реакций на погружаемых в электролит электродах при прохождении через электролит электрического тока.


При очистке веществ электролизом исходный материал загружается в электролит в виде анодов, которые в процессе электролиза растворяются, и очищенный материал собирается на катодах. Окислительно-восстановительные электрохимические реакции можно представить следующей схемой. На поверхности анода протекает реакция оксидирования   с переходом иона вещества А+n в раствор и электрона е по замкнутой внешней цепи на катод. На катоде идет реакция восстановления  , в результате которой происходит выделение вещества А на катоде. В этом случае примесь должна оставаться в электролите.


В зависимости от электрической активности примеси возможно высаживание примеси на катоде  , в этом случае очищаемый материал остается в электролите и выделяется дополнительной химической реакцией. Такое разделение называется анодное растворение или рафинирование.

Глубокую очистку при электролизе можно получить путем тщательного отделения анодного и катодного пространства от средней части электролитической ванны. Такое отделение осуществляют с помощью полупроницаемых перегородок (мембран), избирательно пропускающих к аноду и катоду только определенные типы ионов. При наложении электрического поля диффузия ионов через полупроницаемые перегородки ускоряется, что увеличивает скорость и степень очистки средней камеры ванны. Эту разновидность электролиза называют электродиализом. При электродиализме в среднюю камеру загружают суспензию очищаемого вещества (как правило, слабо диссоциирующего) в воде, а в боковые - чистую воду и электроды. При приложении разности потенциалов к положительно заряженному электроду из средней камеры ванны через мембрану проникают анионы примесей, а к отрицательно заряженному - катионы примесей. По мере накопления их в боковых камерах растворы сливают, а камеры вновь заполняют чистой водой. Это способствует более быстрому удалению примесей электролитов из средней камеры, а также предотвращает процесс обратной диффузии примесей по мере накопления их в боковых камерах.

13. Принцип очистки кристаллизацией. 14. Физическая модель сегрегационных явлений при кристаллизации.

Принцип очистки кристаллизацией.
Рассмотрим процессы, проходящие при кристаллизации разбавленного расплава, описываемой участком фазовой диаграммы, в случае когда примесь понижает температуру плавления раствора. Воспользуемся участком фазовой диаграммы в виде прямых, практически совпадающих при малых концентрациях примеси с кривыми ликвидуса и солидуса (рис.6.3).


Пусть имеется расплав компонента А с концентрацией примеси В, равной С1  при температуре Т1.
Исходное состояние системы, таким образом, характеризуется условной точкой 1 с координатами С1 и Т1 . При снижении температуры точка 1 начинает двигаться вертикально вниз, движение которой будет описывать последовательное состояние системы. Точка 2, отвечающая пересечению вертикальной траектории с линией ликвидуса, определяет температуру начала кристаллизации твердого раствора. При этой температуре образуется твердая фаза состава С2, определяемая местом пересечения температуры начала кристаллизации с линией солидуса, при этом начало кристаллизации определяется точкой 2. При дальнейшем понижении температуры вплоть до конца кристаллизации состояние системы характеризуется двумя точками. Это соответствует одновременному наличию в системе двух находящихся между собой в равновесии фаз. Одна из точек, характеризующих состояние системы, расположена на кривой солидуса и дает состав твердой фазы, другая точка - на кривой ликвидуса - состав жидкой фазы. Интервал плавления определяется местами пересечения вертикали С1 с линиями солидуса и ликвидуса. При достижении температуры, соответствующей точке 4, жидкая фаза полностью исчезает, система переходит в однофазную, а состав твердой фазы должен совпадать с исходным составом жидкости С1. При дальнейшем понижении температуры траектория системы не изменяется. С повышением же температуры система пройдет ту же последовательность состояний, но в обратном порядке.

При таком рассмотрении процесса можно сделать вывод, что закристаллизовавшийся слиток должен иметь состав, ничем не отличающийся от состава расплава в однофазной области. Такой вывод основан на предположении, что в каждый момент времени система находится в равновесном состоянии.

В реальной системе при изменении температуры, равновесие, устанавливается с помощью процессов, связанных с диффузией компонентов в жидкой и твердой фазах. Коэффициенты диффузии в жидкой фазе на несколько порядков больше, чем в твердой. Например, коэффициент диффузии индия в германии при температуре 800 оС равен 2*10-17 м2/с, коэффициенты же диффузии примесей в жидком германии порядка 10 9 м2/с. Поэтому скорость установления равновесия в расплаве намного больше, чем в кристалле.
Рассмотрим процесс кристаллизации в реальных условиях. При понижении температуры расплава до температуры начала кристаллизации (точка 2 на кривой ликвидуса) возникает твердая фаза состава С2, более богатая основным компонентом А, чем жидкая фаза. Расплав же будет обогащен примесным компонентом В. Поэтому условная точка сдвинется несколько вправо (точка 5) по сравнению с точкой 2, характеризующей исходный расплав. Но в этом случае температура Т2 выше температуры начала кристаллизации расплава, характеризуемой точкой 5. При дальнейшем понижении температуры точка 5 вновь достигнет кривой ликвидуса, и выделяющиеся теперь слои твердой фазы будут иметь состав более богатый компонентом В по сравнению со слоями, закристаллизовавшимися ранее. При очередной кристаллизации точка опять сдвинется вправо, и таким образом, следующие порции расплава кристаллизуются при более низкой температуре. Так как скорость диффузии в твердой фазе очень мала, то твердая фаза будет кристаллизоваться неоднородной по составу. Получающийся при этом кристалл будет представлять гамму твердых растворов с непрерывно меняющимися концентрациями. Это явление называется сегрегацией, а соответствующие нарушения постоянства состава сегрегационными. Из предыдущих рассуждений очевидно, что это явление обусловлено двумя факторами.

1. Замедлением процессов диффузии (выравнивания концентрации примеси) в твердой фазе.
2. Разница концентраций примеси в твердой и жидкой фазах.

Остановимся подробнее на втором факторе.

Мы сказали, что разница концентраций в твердой и жидкой фазе определяется коэффициентами распределения, равновесным   и эффективным  , который зависит от ширины диффузионного слоя, .

Ширина диффузионного слоя, в свою очередь, зависит от коэффициента диффузии примеси, вязкости расплава и ряда других факторов, связанных с перемещением примеси от границы двух фаз в объем расплава. Если в пределах этого слоя перенос вещества осуществляется диффузией, то в остальном объеме выравнивание концентрации примеси происходит за счет движения расплава.

11. Дробная или фракционная кристаллизация. 12. Сущность процесса очистки при кристаллизации из расплава.

Дробная или фракционная кристаллизация.
Сущность кристаллизации заключается в последовательной кристаллизации веществ, имеющих предельную растворимость при каждой данной температуре.

Рис.6.1.Изотерма растворимости и схема процесса циклической кристаллизации раствора солей А и В.
Кривую, характеризующую зависимость предельной концентрации раствора данного вещества в присутствии другого вещества при заданной температуре, называют изотермой растворимости (рис 6.1). На рисунке кривые А1 С1 В1  и А2 С2 В2 представляют собой изотермы растворимости солей А и В при температурах Т1 и Т2 .
Растворы, состав которых соответствует области, заключенной между осями координат и изотермами растворимости, будут ненасыщенными растворами, тогда как растворы вне этой области - насыщенными. Над кривыми А1 С1 и А2 С2  состав системы соответствует смеси насыщенного раствора соли А и твердой соли А, справа от кривых С1 В1 и С2 В2  состав системы представляет собой смесь насыщенного раствора соли В и твердой соли В, а в области справа и выше точек С1 и С2 система образована насыщенным раствором солей А и В, соответствующим этим точкам и смесью твердых веществ А и В.
По этой диаграмме можно проанализировать сущность метода разделения солей путем процесса циклической дробной кристаллизации. Пусть исходный состав системы соответствует точке х, тогда в процессе выпаривания состав будет изменяться по прямой х  х1  вплоть до изотермы растворимости А1 С1 В1. При дальнейшем выпаривании вследствие кристаллизации соли А состав раствора будет изменяться по линии х1 С1. Вблизи точки С твердую соль А отделяют от раствора, который затем охлаждают до температуры Т1. Во время этого процесса состав раствора изменяется по линии С1 Y2, так что в процессе охлаждения происходит непрерывная кристаллизация соли В. В точке Y1 соль В отделяют от раствора, который снова выпаривают, так что его состав изменяется в соответствии с линией Y2 Y1 C1. Этот цикл операций, дающий сначала соль А (хлористый натрий), а затем соль В (хлористый калий), можно продолжать до тех пор, пока весь раствор не будет использован. Можно также при каждом выпаривании вводить в систему свежий раствор солей А и В.
При кристаллизации из расплава сущность процесса очистки состоит в различной растворимости примесей в жидкой и твердой фазах. Эффективность процесса зависит от соотношения этих растворимостей, определяемого коэффициентом распределения. (К=Ств /Сж ).
Различают равновесный К0 и эффективный Кэф коэффициенты распределения. Первый соответствует условиям равновесия твердой и жидкой фаз, когда скоростью перемещения фронта кристаллизации можно пренебречь. В этом случае величину К0 можно найти из диаграмм состояния "основное вещество - примесь" в области малых концентраций примеси (рис.6.2).

Рис.6.2.Типы фазовых диаграмм полупроводниковых и диэлектрических фаз
а- эвтектическая диаграмма состояния с областями твердых растворов  и .
б- диаграмма состояния непрерывных твердых и жидких растворов.
На рисунке даны два возможных вида диаграммы состояния, в первом из которых введение примеси снижает температуру кристаллизации основного вещества (рис. а), а во втором - увеличивает ее (рис. б).
Пересечение изотермы, отвечающей некоторой температуре кристаллизации Т, с линиями ликвидуса и солидуса определяет равновесную растворимость примеси в жидкой и твердой фазах, а значит и коэффициент распределения. На первой диаграмме Ств меньше Сж и К0= Ств/Сж меньше 1. На второй - Ств/Сж больше 1, так как Ств больше Сж.
Точный расчет коэффициента распределения на основе фазовых диаграмм ограничен, так как зонную плавку и вытягивание из расплава применяют обычно для удаления следов примеси, а имеющиеся фазовые диаграммы недостаточно точны для получения удовлетворительных результатов.
Особенно усложняется положение в том случае, когда фронт кристаллизации перемещается с достаточно высокой скоростью. Если К0 меньше 1, то примесь будет оттесняться в расплав и ее концентрация у границы раздела расплав - кристалл будет увеличиваться до тех пор, пока поток примеси из кристалла в расплав не уравновесится ее диффузионным потоком от поверхности кристалла в объем расплава. При этом концентрация примеси на границе раздела больше ее равновесной концентрации в объеме расплава и будет изменяться в пределах так называемого ламинарного диффузионного слоя, эффективную толщину которого можно обозначить через .